鉅大LARGE | 點擊量:219次 | 2024年08月01日
了解鋰電池極片輥壓機原理工藝
電池極片的軋制是軋輥與電池極片之間產(chǎn)生摩擦力,把電池極片拉進旋轉(zhuǎn)的軋輥之間,電池極片受壓變形的過程。電池極片的軋制不同于鋼塊的軋制,軋鋼是板材沿縱向延伸和橫向?qū)捳沟倪^程,其密度在軋制過程中不發(fā)生變化,而電池極片的軋制是正負極片上電池材料壓實的過程,其目的在于增加正極或負極材料的壓實密度,合適的壓實密度可增大電池的放電容量、減小內(nèi)阻、減小極化損失、延長電池的循環(huán)壽命、提高鋰離子電池的利用率。
電池極片軋制設(shè)備是從軋鋼機械演變過來的,一般由機架部分、傳動部分及電控部分組成。根據(jù)機械結(jié)構(gòu)與輥壓模式,本文介紹三種常用的鋰離子電池極片輥壓機及其工藝特點:手動螺旋加壓式極片軋機、氣液增壓泵加壓式極片軋機、液壓伺服加壓式極片軋機。
1、手動螺旋加壓式極片軋機
這種設(shè)備由減速電機驅(qū)動高硬度壓輥旋轉(zhuǎn),采用斜塊式輥縫調(diào)節(jié)裝置機械調(diào)整壓輥間隙,使極片受壓成型,增加極片密度,主要用于軋制單片的電池極片,輥壓示意如圖1所示。這種設(shè)備主要應(yīng)用于實驗室,通過設(shè)定輥縫值使軋輥在極片上加載壓力,沒有額外的加壓裝置。因此,一般實際壓力比較小,輥壓極片壓實密度受到限制,而且一般最大輥縫受機械裝置限制,存在一個最大值,一般不能輥壓太厚的極片。
2、氣液增壓泵加壓式極片軋機
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
氣液增壓泵加壓方式電池極片軋機采用楔鐵和絲杠離線調(diào)節(jié)輥縫,不能對軋輥間隙和軋制力進行實時在線調(diào)節(jié),成本比較低,能夠軋制對稱涂布的電池極片,如圖2。
這種軋機的輥縫由可變厚度的中間斜楔調(diào)整,調(diào)隙原理:在軋輥兩端的軸承座之間各有兩塊斜面相貼的調(diào)隙斜鐵。通常固定其中一塊較薄的稱為靜斜鐵,移動另一塊較厚的稱為動斜鐵,當(dāng)兩塊斜鐵在斜面方向上有相對位移時,組合出不同的厚度,進而有了不同輥縫。如圖3所示。一般使用步進電機帶動斜鐵滑塊運動的機構(gòu),把步進電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為軋輥之間距離的調(diào)整,其結(jié)構(gòu)圖見圖4。在用伺服電機驅(qū)動斜鐵移動時,為了能更直觀看到的輥縫,所以調(diào)整斜鐵到軋輥兩端縫隙剛好為零,把斜鐵的這個位置稱為原點,并安裝一個限位開關(guān)稱為原點開關(guān)。
圖5是斜楔式電池極片軋機受力示意圖,液壓缸壓力F作用在軋輥兩側(cè)的軸承座上,極片軋制時,液壓缸壓力F分解為作用在楔鐵上的力和作用在極片上的有效軋制力。軋制基本過程為:設(shè)電池極片進入軋機前,軋機加壓液壓缸的壓力為零時,預(yù)調(diào)節(jié)輥縫值S0。利用氣液增壓泵加壓后,軋輥軸承座以及楔鐵將會被壓縮,兩軸承座中心距離將會縮短,由于軋輥不會接觸,所有的壓力將會作用在楔鐵上,設(shè)縮短的距離為x0,液壓缸預(yù)緊力為F,則:
由此式可知液壓缸壓力F、預(yù)調(diào)節(jié)輥縫S0、來料厚度H等對極片有效軋制力P和輥壓厚度h的影響。將上下輥系的彈性變形曲線A、電池極片的塑性變形曲線B和軸承座與楔鐵彈性變形曲線C畫在同一圖中,如圖6所示,O點所對應(yīng)的橫縱坐標就分別是有效軋制力和極片軋出厚度
工藝參數(shù)調(diào)節(jié)要點
但是,在帶楔鐵的軋機中,設(shè)定的液壓缸壓力F并不是完全作用在極片上,而是分解為作用在楔鐵上的力和作用在極片上的有效軋制力兩部分。而且分量隨著輥壓參數(shù)設(shè)定不同而不一樣。
(1)液壓缸壓力F保持不變時,輥縫調(diào)定不同的值,如果預(yù)輥縫S0比較小時,軸承座與楔鐵脫開,壓力全部作用在極片上,預(yù)輥縫由小增加直至某臨界值之前,輥壓厚度都不會變化,但這種情況不是很穩(wěn)定。超過臨界值,預(yù)輥縫S0繼續(xù)增加,作用在極片上的有效軋制力不斷減小,極片厚度增加。
(2)預(yù)調(diào)定輥縫S0比較合適且不變時,如果液壓缸的壓力F調(diào)定值小于某一個值,在軋輥輥壓極片時,軸承座就會與楔鐵脫開,壓力全部作用在極片上,隨著油缸壓力增加,作用在極片上的有效軋制力也增加,輥壓厚度減小。但液壓缸壓力大于此值后,油缸壓力繼續(xù)增大,增大的壓力基本消耗在楔鐵上了,有效軋制力增加不明顯。
(3)輥縫和液壓缸壓力設(shè)定不變,軋制不同厚度的電池極片。來料厚度變小時,輥壓厚度也隨之減小,但是損耗在楔鐵上的壓力增大,而有效軋制力減小,,涂層壓實密度不會保持恒定。
(4)目前,氣液增壓泵加壓式極片軋機的實際使用過程中,沒有一個統(tǒng)一的調(diào)節(jié)輥縫與液壓缸壓力的方法。調(diào)定一個比較小的輥縫,液壓缸液壓小一些;或者調(diào)定一個較大的輥縫,液壓缸壓力增大些,都能軋出同樣厚度的電池極片。為了使液壓缸的壓力得到有效的利用,減少壓力增加導(dǎo)致的系統(tǒng)能量損失,應(yīng)該使消耗在楔鐵上的壓力盡量減小,但是為了有一定的富裕度,可以使得油缸壓力略大于所需軋制力,可以根據(jù)下式算出所需要的預(yù)輥縫:
3、液壓伺服加壓式極片軋機
AGC(AutomaticGaugeControl)軋機是一種具有在線自動厚度調(diào)節(jié)技術(shù)的極片軋機,目前最先進的是全液壓壓下調(diào)節(jié)裝置。液壓伺服控制加壓式極片軋機不再使用楔鐵調(diào)節(jié)輥縫值,液壓缸壓力能夠完全作用在電池極片上,為了能夠?qū)崟r控制作用在電池極片上壓力和液壓缸活塞位置,加壓系統(tǒng)采用閥控缸的液壓伺服控制系統(tǒng)。這種方式結(jié)構(gòu)簡單,靈敏度高,能夠滿足很嚴格的厚度精度要求,可實現(xiàn)恒壓力、恒間隙軋制。傳遞的力和功率大的液壓伺服控制系統(tǒng)的引入使得極片軋機能夠?qū)崿F(xiàn)壓力和輥縫的在線實時調(diào)節(jié),軋制單雙層交替涂布的極片時,單層部分也能得到比較好的軋制效果,使得軋制極片的質(zhì)量大大提高。軋制過程中有桿腔通過減壓閥、溢流閥和蓄能器的組合保持一個恒定壓力。上下軸承座之間有四個柱塞缸,通過減壓閥和溢流閥的組合保持恒壓以平衡上輥系的重量。
機座的剛度采用軋輥壓靠法測定,確定過程具體如下:兩軋輥之間沒有電池極片、軋輥空轉(zhuǎn)的情況下,上軋輥慢慢壓下,使上下軋輥直接接觸壓靠。軋輥接觸壓靠后,控制液壓伺服缸,使上軋輥繼續(xù)下降,使軋機工作機座產(chǎn)生彈性變形。然后控制上軋輥慢慢上升,兩軋輥慢慢分開,測量軋制力和液壓缸體與活塞相對位置的對應(yīng)關(guān)系。缸體與活塞相對位置的變化反應(yīng)的就是工作機座的彈性變形。
液壓伺服系統(tǒng)加壓式電池極片軋機加壓機構(gòu)示意圖如圖7,液壓壓力全部作用在極片上,有效軋制力P為:
其中,K為整個機架的剛度,h為輥壓厚度,S0為預(yù)調(diào)節(jié)輥縫。
液壓伺服加壓式極片軋機能夠?qū)崟r控制作用在電池極片上壓力和液壓缸活塞位置,具備恒壓力、恒輥縫兩種軋制模式。
恒輥縫軋制
如圖8所示,當(dāng)軋輥從電池極片有漿料部分輥壓到無漿料的過程中,因為電池極片的突然變薄,上軋輥會突然下降然后快速恢復(fù)的原位置,軋機機座的彈性變形減小,軋制力也相應(yīng)減小。當(dāng)軋輥從電池極片的基帶部分輥壓到有漿料部分的過程中,上軋輥會突然上升然后下壓到要求的位置,軋機機座的彈性變形增大,軋制力也相應(yīng)增大。但總體來看,位移波動不是很大。
目前甚至出現(xiàn)雙閉環(huán)控制系統(tǒng),內(nèi)環(huán)位置控制環(huán)(APC)是的核心控制環(huán)節(jié),其輸出為軋輥的實際位置或稱實際輥縫,即現(xiàn)恒輥縫軋制。外環(huán)為極片厚度控制環(huán),實時在線檢測極片厚度,厚度反饋信號用來修正位置環(huán)的輥縫設(shè)定值,通過液壓伺服控制,使軋輥快速動作,以達到迅速消除厚差的目的。
恒壓力軋制
如圖9所示,當(dāng)軋輥從電池極片有漿料部分輥壓到無漿料部分的過程中,因為電池極片的突然變薄,軋制力會有一個減小的波動,再快速恢復(fù)到設(shè)定值,上軋輥也相應(yīng)下降。當(dāng)軋輥從電池極片的基帶部分輥壓到有漿料部分的過程中,軋制力會有個增大的波動,再快速恢復(fù)到設(shè)定值,上軋輥也相應(yīng)上升。但總體來看,壓力波動不是很大。
由于軋機兩側(cè)機械結(jié)構(gòu)制造裝配的不完全對稱、傳動側(cè)與傳動軸相連、電池極片在輥系間的位置也不能保證在中間,位置的變化有一定差別。由于電池極片負載的特殊性,如何克服在過極片間隙時,減小壓力的波動等問題還有待進一步解決。